DE69406547T2

DE69406547T2 - Filtermaterial mit einer wellenförmigen oberfläche

Info

Publication number: DE69406547T2
Application number: DE69406547T
Authority: DE
Inventors: Michael Berrigan; David Olson
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1993-08-17
Filing date: 1994-08-17
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2014-08-18
Also published as: JP3380251B2; CA2166612C; DE69406547D1; WO1995005232A1; JPH09501746A; EP0715536B1; CA2166612A1; BR9407288A; EP0715536A1; KR960703653A; KR100349487B1

Description

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft nichtgewebtes, schmelzgeblasenes Mikrofaser-Filtermaterial (Vlies) zum Entfernen partikelartiger Materie aus der Luft und das Verfahren zur Herstellung des Filtermaterials. Das Filtermaterial kann aufgeladen werden, um eine Verbesserung der Filtrationseigenschaften mittels eines Elektrets zu ermöglichen. Die Erfindung betrifft besonders Atmungsgeräte und eine Verbesserung der Fähigkeit eines Filtermaterials, bei einem Luftstrom geringen Widerstand und guten Filter-Wirkungsgrad zu erreichen, besonders beim Vorkommen von verkrustenden Aerosolen, und eine Verbesserung der Filterleistung bei nichtgewebtem Filtermaterial (Vlies) mittels Elektret.

Beschreibung der verwandten Technik

Viele Jahre sind Bahnenmaterialien aus nichtgewebten Fasern für Filter aus Polypropylen unter Verwendung einer Schmelzblas-Vorrichtung der Art, wie sie in dem am 25. Mai 1954 veröffentlichten Report Nr. 4364 der Naval Research Laboratories unter dem Titel "Manufacture of Super Fine Organic Fibers" von Van A Wente et al. beschrieben wurde, hergestellt worden. Solche schmelzgeblasene Mikrofaser-Bahnenmaterialien werden immer noch weitverbreitet zum Filtern partikelartiger Verunreinigungen verwendet, z. B. als Gesichtsmasken und Wasserfilter, und für andere Zwecke, z. B. um Öl aus Wasser zu entfernen. Die Filterwirkung eines schmelzgeblasenen Mikrofaser-Bahnenmaterials kann um den Faktor zwei oder mehr verbessert werden,
wenn die schmelzgeblasenen Fasern mit elektrisch geladenen Teilchen, wie z. B. Elektronen oder Ionen, bombardiert werden, wenn sie aus den Düsenöffnungen austreten, wodurch das faserige Bahnenmaterial zu einem Elektret wird. Auf ähnliche Weise kann das Bahnenmaterial zu einem Elektret gemacht werden, indem es, nachdem es aufgefangen wurde, einer Koronaentladung ausgesetzt wird. Schmelzgeblasene Polypropylen-Mikrofasern sind besonders nützlich, während andere Polymere auch verwendet werden können, wie z. B. Polycarbonate und Polyhalocarbone, welche schmelzgeblasen werden können und unter erwartungsgemäßen Umweltbedingungen einen geeigneten Volumen-Widerstand aufweisen.
Gewöhnliche Polymere wie z. B. Polyester, Polycarbonate usw. können so behandelt werden, daß sie sehr stark geladene Elektrete erzeugen. Die Elektretstrukturen können Filme oder Folien sein, die als elektrostatisches Element in elektroakustischen Geräten, wie z. B. Mikrophonen, Kopfhörern und Lautsprechern, und bei der Staubpartikel-Beherrschung, in elektrostatischen Hochvolt-Generatoren, elektrostatischen Rekordern und weiteren Anwendungen Verwendung finden. Ein Film aus einem dielektrischen Material kann auch aufgeladen und dann in Fäserchen aufgespalten werden, die ein Elektret-Filterbahnenmaterial bilden können.
Bei vielen Aerosolen, z. B. bei Staub oder Rauch, können in dem Mikrofaser-Filtermaterial unannehmbare Druckabfall- Steigerungen auftreten, wenn sich Aerosole auf dem Filtermaterial ablagern. Ferner nimmt die Menge an elektrostatischer Ladung auf Grund der Neutralisierung der Ladung auf der Faser wegen des Auftreffens von Aerosolkomponenten und Umweltbedingungen, wie z. B. Wärme und Feuchtigkeit, allmählich ab, wodurch die Filterwirkung des Materials beeinflußt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem Aspekt ein Filtermaterial, das ein Bahnenmaterial aus schmelzgeblasenen Mikrofasern aufweist, deren eine im wesentlichen flache Oberfläche keine größere Schwankung der Oberflächenstärke als etwa 2 mm aufweist und deren andere Oberfläche eine periodische faltenähnliche Welligkeit besitzt, wobei die Wellen quer zu der Bildungsrichtung des Bahnenmaterials verläuft, und wobei die Welligkeit 30 bis 70% der Dicke des Bahnenmaterials aufweist und eine Frequenz von mindestens etwa 0,33/cm hat.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Elektret- Filtermaterial, das ein oben angegebenes Filtermaterial umfaßt, welches zusätzlich aufgeladen ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine elastische, schalenförmige Gesichts-Filtermaske, die zum Bedecken von Mund und Nase des Trägers der Maske geeignet ist und ein Bahnenmaterial aus schmelzgeblasenen Mikrofasern mit einer im wesentlichen flachen Oberfläche aufweist, dessen andere Oberfläche eine periodische Welligkeit besitzt. Das Bahnenmaterial kann aufgeladen sein, um ihm Elektreteigenschaften zur Verbesserung der Futration zu verleihen.
Die vorliegende Erfindung stellt in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Bilden eines Bahnenmaterials aus schmelzgeblasenen Mikrofasern zur Verfügung, das eine im wesentlichen flache Seite und die andere Seite mit periodischer Welligkeit aufweist, wobei das Verfahren umfaßt: Extrudieren schmelzgeblasener Mikrofasern aus einer Extrusionsform, Auffangen der Fasern auf Auffangflächen mit dazwischen befindlichem Spalt, wobei der Kontaktteil der Auffangfläche zu der Extrusionsform parallel ist und sich von dieser weg bewegt, und Ziehen des aufgefangenen Gewebes durch den Spalt, wobei die Oberflächengeschwindigkeit einer Auffangfläche mindestens dem Zweifachen der Geschwindigkeit der anderen Auffangfläche entspricht. Die Auffangfläche mit der größeren Oberflächengeschwindigkeit erzeugt die Oberfläche mit der Welligkeit. Das Bahnenmaterial kann wahlweise elektrostatisch geladen sein.
Das Elektretfilter der vorliegenden Erfindung ist besonders als Luftfilterelement eines Atmungsgeräts, wie z. B. einer Gesichtsmaske, oder zum Erwärmen, zur Ventilation und zur Klimatisierung nützlich. Bei der Verwendung in Atmungsgeräten können die Elektretfilter die Form von gegossenen oder gefalzten Gesichts-Halbmasken, auswechselbaren Patronen oder Kanistern oder Vor-Filtern besitzen.
Wenn es als Luftfilter verwendet wird, besitzt das ungeladene und das geladene Filtermaterial überraschend bessere Filterleistung als ein vergleichbares Filter, das keine wellenförmige Oberfläche aufweist, besonders wenn Krusten bildende Aerosole, wie z. B. ein Farbspray, gefiltert werden.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung, die beim Herstellen des Filtermaterials der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Filtermaterials der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Filtermaterials der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine Fotografie von Filtermaterial der vorliegenden Erfindung, welche die wellenformige Oberfläche zeigt.
Fig. 5 ist eine Fotografie von Filtermaterial der vorliegenden Erfindung, welche auf der rechten Seite die wellenförmige Oberfläche und auf der linken Seite die im wesentlichen flache Oberfläche zeigt.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Versehen des Filtermaterials der Erfindung mit einer Elektret-Ladung.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht der Gesichtsmaske der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die in der vorliegenden Erfindung nützlichen schmelzgeblasenen Mikrofasern können wie von Van A. Wente in "Superfine Thermoplastic Fibers", Industrial Engineering Chemistry, Band 48, Seiten 1342-1346 und im Report Nr. 4364 der Naval Research Laboratories, veröffentlicht am 25. Mai 1954, mit dem Titel "Manufacture of Super Fine Organic Fibers" von Van A. Wente et al. beschrieben hergestellt werden.
Die schmelzgeblasenen Mikrofasern können aus irgendeinem thermoplastischen, Fasern bildenden Harz hergestellt werden. Beispiele solcher Harze sind Polyolefine wie z. B. Polypropylen, Polyethylen, Polybutylen und Poly(4-Methyl-1-Penten), Polycarbonate, Polyester, Polyamide, Polyurethane und Block- Polymere wie z. B. Styrol-Butadien-Styrol und Styrol-Isopren- Styrol-Blockcopolymere.
Wenn das Bahnenmaterial aufgeladen werden soll, um Elektreteigenschaften zu schaffen, sollte das zum Bilden der schmelzgeblasenen Mikrofasern verwendete Harz im wesentlichen frei von Materialien wie z. B. antistatischen Mitteln sein, welche die elektrische Leitfähigkeit erhöhen oder in anderer Weise die Fähigkeit der Fasern stören könnten, elektrostatische Ladung aufzunehmen und zu halten. Bevorzugte Harze zum Herstellen der schmelzgeblasenen Mikrofaser-Bahnenmaterialien für Elektret-Materialien sind Polypropylen, Poly(4-Methyl-Penten), Mischungen aus diesen und Polycarbonat.
Geblasene Mikrofasern für faseriges Filtermaterial gemäß dieser Erfindung haben normalerweise einen wirksamen Faserdurchmesser von etwa 3 bis 30 Mikrometer und bevorzugt von etwa 7 bis 15 Mikrometer, wie gemäß dem von Davies, C.N. in "The Separation of Airborne Dust and Particles", Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952 dargelegten Verfahren berechnet.
Es können in dem Gewebe auch Spinnfasern bzw. Stapelfasern enthalten sein. Das Vorhandensein von Stapelfasern bewirkt im allgemeinen ein offener gesponnenes, weniger dichtes Bahnenmaterial als ein nur aus schmelzgeblasenen Mikrofasern bestehendes Bahnenmaterial. Vorzugsweise sind höchstens etwa 90 Gewichtsprozent, bevorzugt höchstens etwa 70 Gewichtsprozent Stapelfasern enthalten. Solche Bahnenmaterialien, die Stapelfasern enthalten, sind in der US-Patentschrift Nr. 4.118.531 (Hauser) offenbart worden.
Ein partikelartiges Sorptionsmittel, wie z. B. Aktivkohle - oder Aluminiumoxid, kann ebenfalls in dem Bahnenmaterial enthalten sein. Solche Partikel können in Mengen bis zu etwa 80 Volumenprozent des Bahnenmaterials enthalten sein. Diese Partikel enthaltenden Bahnenmaterialien sind z. B. in den US- Patentschriften Nr. 3.971.373 (Braun), Nr. 4.100.324 (Anderson) und Nr. 4.429.001 (Kolpin et al.) beschrieben.
Das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Filtermaterial hat vorzugsweise ein Basisgewicht im Bereich von etwa 10 bis 400 g/m², besonders bevorzugt etwa 10 bis g/m². Beim Herstellen schmelzgeblasenen Mikrofaser- Bahnenmaterials kann das Basisgewicht reguliert werden, z. B. entweder durch Ändern der Auffanggeschwindigkeit oder des Düsenkanal- bzw. Form-Durchsatzes. Die durchschnittliche Dicke des Filtermaterials beträgt vorzugsweise etwa 1 bis 30 mm, bevorzugt etwa 2 bis 15 mm.
Das erfindungsgemäße Elektret-Filtermaterial und das Polypropylenharz, aus dem es hergestellt wird, sollten nicht irgendeiner unnötigen Behandlung unterzogen werden, die deren elektrische Leitfähigkeit erhöhen könnte, z. B. einer Exposition von Gammastrahlen, Ultraviolettbestrahlung, Pyrolyse, Oxidation usw.
Das Bahnenmaterial der vorliegenden Erfindung kann hergestellt werden, indem eine in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung verwendet wird. Eine solche Struktur enthält einen Düsenkanal bzw. eine Form 10, welche eine Extrusionskammer 11 besitzt, durch welche verflüssigtes, faserbildendes Material gefördert wird; Düsenkanalöffnungen 12, die quer zu dem vorderen Ende des Düsenkanals in einer Linie angeordnet sind und durch welche das faserbildende Material extrudiert wird; und zusammenwirkende Gasöffnungen 13, durch welche ein Gas, normalerweise erwärmte Luft, mit hoher Geschwindigkeit gepreßt wird. Der Hochgeschwindigkeits-Gasstrom holt das extrudierte faserbildende Material heraus und verfeinert es, woraufhin das faserbildende Material während der Bewegung zu einem Kollektor 24 als Mikrofasern erstarrt.
Der Kollektor 24 weist eine obere Auffangtrommel 25 und eine untere Auffangtrommel 26 auf, die beabstandet sind und dazu dienen, Bahnenmaterial 30 aufzufangen. Eine Auffangtrommel 25 oder 26 bewegt sich mit einer mindestens doppelt so großen Oberflächengeschwindigkeit wie die andere Auffangtrommel. Die Auffangtrommel mit der größeren Oberflächengeschwindigkeit hat vorzugsweise eine Oberflächengeschwindigkeit von zwei bis sechs mal der Oberflächengeschwindigkeit der langsameren Auffangtrommel, bevorzugt eine um drei bis vier mal größere. Die Auffangfläche ist vorzugsweise etwa 0,2 bis 2 m, bevorzugt 0,25 bis 1 m von der Düsenkanalöffnung entfernt. Der Abstand zwischen den Auffangtrommeln ist vorzugsweise etwa 0,5 cm bis 5 cm, besonders bevorzugt etwa 1 cm bis 2,5 cm, in Abhängigkeit vom Gewicht des Bahnenmaterials. Normalerweise ist der Bereich der Kollektorflächengeschwindigkeit im Verhältnis zur Faserextrusionsgeschwindigkeit für die schnellere Kollektorfläche 0,006 bis 0,6 m/min pro g/m/min und für die langsamere Kollektorfläche 0,003 bis 0,08 m/min pro g/m/min. Die Auffangtrommeln haben normalerweise einen Durchmesser von 0,2 bis 1 m. Obzwar in dieser Abbildung Trommeln gezeigt sind, sollte offensichtlich sein, daß auch andere Kollektorflächen, wie z. B. Riemen, verwendet werden können.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Bahnenmaterials 30, das unter Verwendung dieses Kollektorsystems hergestellt wurde. Fig. 3 ist eine vergrößerte, fragmentarische Seitenansicht des Bahnenmaterials 30 entlang der Linien 3-3 von Fig. 2. Der Bahnenmaterialteil 33, der mit der Auffangtrommel mit der langsameren Oberflächengeschwindigkeit in Berührung kam, weist eine relativ dichte, flache Oberfläche auf, während der Bahnenmaterialteil32, der mit der Auffangtrommel mit der schnelleren Oberflächengeschwindigkeit in Berührung kam, eine Oberfläche mit periodischer Welligkeit 32 aufweist. Die Fasern in dem mittleren Teil des Bahnenmaterials 30 sind zu den Bahnenmaterialoberflächen im wesentlichen querlaufend. Die Welligkeit beträgt vorzugsweise etwa 30 bis 70% der durchschnittlichen Dicke des Bahnenmaterials, bevorzugt 40 bis 60% der durchschnittlichen Dicke des Bahnenmaterials. Die Welligkeitsfrequenz ist vorzugsweise mindestens 0,33/cm, besonders bevorzugt mindestens 1/cm, insbesondere mindestens 2/cm. Eine Fotografie der Oberfläche eines Bahnenmaterials mit Welligkeit gemäß der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt, wobei das Bahnenmaterial 50 eine Welligkeit mit Erhebungen 51 und Vertiefungen 52 besitzt. Fig. 5 zeigt eine wellenförmige Oberfläche 50 eines Bahnenmaterials gemäß der Erfindung mit Erhebungen 51 und Vertiefungen 52 und neben der wellenförmigen Oberfläche einen Teil des Bahnenmaterials, das die im wesentlichen flache Oberfläche 60 zeigt.
Die im wesentlichen flache Oberfläche 33 des Bahnenmaterials 30 weist vorzugsweise keine größere Schwankung der Oberflächenstärke als etwa 2 mm, bevorzugt höchstens 1 mm, auf. Das Bahnenmaterial besitzt im wesentlichen einheitliche Dichte, d. h. die Welligkeit resultiert nicht aus der Bildung von Bereichen hoher Dichte und geringer Dichte entlang der Länge und/oder der Breite des Bahnenmaterials. Gewöhnlich variiert die Dichte nicht um mehr als 50%, bevorzugt höchstens um 20%.
Wegen der im wesentlichen einheitlichen Dichte des Bahnenmaterials weist das Bahnenmaterial ein hohes Ausmaß an wirksamem Oberflächenbereich auf, wobei der wirksame Oberflächenbereich jener Bereich des Bahnenmaterials ist, der zum Filtern zur Verfügung steht. Das Bahnenmaterial besitzt nach der Herstellung, vor jeglicher nachfolgender Bearbeitung, im wesentlichen 100% wirksamen Oberflächenbereich Im allgemeinen variiert die Dichte des Bahnenmaterials von der wellenförmigen Oberfläche zu der im wesentlichen flachen Oberfläche, wobei der mittlere Teil weniger dicht ist als diese Oberflächenteile.
Das Bahnenmaterial 30 kann wahlweise ein Glasgamgelege bzw. einen Scrim 34 enthalten, der auf die im wesentlichen flache Oberfläche geklebt ist. Ein Scrim 34 aus sehr flexiblem Gewebe kann wahlweise auch auf die wellenförmige Oberfläche geklebt werden. Der Scrim 34 kann mit bekannten Methoden mit dem Bahnenmaterial verbunden werden, wie z. B. unter Verwendung von Klebstoff, Ultraschallschweißen oder Rasterbonden. Jedoch sollte ein solches Anhaften so durchgeführt werden, daß der größte Teil des wirksamen Oberflächenbereichs erhalten bleibt, vorzugsweise mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90%, insbesondere mindestens 95% des wirksamen Oberflächenbereichs. Natürlich können zum Herstellen des Filtermaterials auch mehrere Lagen des einheitlichen Bahnenmaterials verwendet werden, dessen eine Seite im wesentlichen flach ist und dessen andere Seite eine periodische Welligkeit aufweist.
Wenn in dem Gewebe Stapelfasern vorhanden sind, können sie durch die Verwendung einer Zuführwalzenrolle 16 eingefügt worden sein, die über der Schmelzblas-Vorrichtung angeordnet ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Ein Stapel-Bahnenmaterial 17, normalerweise ein lockeres, Vlies-Bahnenmaterial, wie z. B. in einem Granat- oder RANDO-WEBBER-Gerät erzeugt, wird auf dem Tisch 18 unter der Antriebsrolle 19 vorwärts geschoben, wobei die Vorderkante gegen die Zuführwalzenrolle 16 stößt.
Die Zuführwalzenrolle 16 nimmt Fasern der Vorderkante des Bahnenmaterials 17 auf und trennt die Fasern voneinander. Die aufgenommenen Fasern werden in einem Luftstrom durch einen schrägen Trog oder Kanal 20 und in den Strom der geblasenen Mikrofasern befördert, wo sie mit den geblasenen Mikrofasern gemischt werden.
Wenn in das Bahnenmaterial partikelartige Materie eingefügt werden soll, kann es unter Verwendung einer Ladeeinrichtung ähnlich dem Kanal 20 hinzugefügt werden.
Das erfindungsgemäße Elektret-Filtermaterial kann elektrostatisch geladen werden, indem irgendein bekanntes Verfahren verwendet wird, wie z. B. das in der US-Patentschrift Nr. Re. 30.782 (van Turnhout), das in der US-Patentschrift Nr. Re. 31.285 (van Turnhout), das in der US-Patentschrift Nr. 4.375.718 (Wadsworth et al.), das in der US-Patentschrift Nr. 4.588.537 (Klaase et al.) oder das in der US-Patentschrift Nr. 4.592.815 (Nakao) beschriebene. Im allgemeinen bestehen diese Ladeverfahren darin, das Gewebe einer Koronaentladung oder einer hohen Impulsspannung zu unterziehen.
Bei einem bevorzugten Verfahren zum Laden des Bahnenmaterials wird das Bahnenmaterial durch den Aufprall von Wasserstrahlen oder einem Strom von Wassertröpfchen anstelle von oder nach einem Laden mit einer Koronaentladung einer Hydroladung unterzogen. Eine Hydroladung des Elektret-Bahnenmaterials wird durch Auftreffen von Wassertröpfchen auf das Bahnenmaterial bei einem Druck durchgeführt, der ausreicht, das Bahnenmaterial mit verbesserter Filterwirkung auszustatten. Der Druck, der nötig ist, um optimale Ergebnisse zu erreichen, variiert in Abhängigkeit von der Sorte des Polymers, aus dem das Bahnenmaterial hergestellt ist, der Dicke und der Dichte des Bahnenmaterials. Im allgemeinen ist ein Druck im Bereich von etwa 10 bis 500 psi (69 bis 3450 kPa) geeignet. Das zum Erzeugen der Wasserstrahlen oder -tröpfchen verwendete Wasser ist vorzugsweise relativ sauber. Destilliertes oder entionisiertes Wasser ist Leitungswasser vorzuziehen.
Die Wasserstrahlen oder -tröpfchen können durch irgendeine geeignete Sprüheinrichtung geliefert werden. Die für hydraulisch zu verfilzende Fasern nützlichen Vorrichtungen sind im allgemeinen bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendbar, obwohl der Vorgang bei der Hydroladung bei geringeren Drücken durchgeführt wird, als sie im allgemeinen beim hydraulischen Verfilzen verwendet werden.
Ein Beispiel einer geeigneten Sprüheinrichtung ist in Fig. 6 gezeigt, wo faseriges Bahnenmaterial 40 von der Trägereinrichtung 41 transportiert wird. Die Transporteinrichtung kann die Form eines vorzugsweise porösen Riemens haben, wie z. B. eines Maschennetzes oder -gewebes. Wasserstrahlen 42 in einem Wasserdüsenkopf 43 bewirken das Wassersprühen über eine Pumpe (nicht gezeigt), die den Wasserdruck liefert. Die Wasserstrahlen 42 wirken an Aufprallpunkten 42' auf das Bahnenmaterial 40 ein. Vorzugsweise wird unter einer porösen Unterlage ein Vakuum erzeugt, um beim Durchgang des Sprühens durch das Bahnenmaterial zu helfen und den Energiebedarf zum Trocknen zu reduzieren.
Fig. 7 zeigt eine praktische Ausführung der erfindungsgemäßen Gesichtsmasken. Die Maske 35 umfaßt ein im allgemeinen schalenähnlich geformtes Element 36, das über den Mund und die Nase einer Person paßt, und einen Riemen 37 zum Anlegen der Maske. Der Rand der Maske tendiert dazu, an den Konturen des Gesichts ziemlich dicht anzuliegen und bestimmt daher die Luftzufuhr für den Träger der Maske; d. h. der größte Teil der von einem Träger der Maske geatmeten Luft muß durch die Maske hindurch treten. Die Maske kann wahlweise formende oder schützende Schichten auf einer oder beiden Seiten des Bahnenmaterials aufweisen. Solche Schichten können ein faseriges Spinnvlies- Bahnenmaterial, ein glattes, aufgerauhtes oder im Luftstrom aufgebrachtes faseriges Bahnenmaterial sein.
Wenn in den nachfolgenden Beispielen nichts anderes angegeben ist, sind alle Prozentsätze und Anteile auf das Gewicht bezogen. Die folgenden Testverfahren wurden verwendet, um die Beispiele zu bewerten.

DOP-Durchdringung und Druckabfall

Es werden unter Verwendung eines TSI-Zerstäubers Nr. 212 mit vier Öffnungen und 30 psi (207 kPa) reiner Luft Dioctyl- Phthalat-(DOP) Partikel mit einem Durchmesser von 0,3 Mikrometer bei einer Konzentration von 70 bis 110 mg/m³ erzeugt. Die Partikel werden durch ein Muster aus Filtermaterial gepreßt, das bei einer Geschwindigkeit von 42,5 L/min einen Durchmesser von 11,45 cm hat, was einer Oberflächengeschwindigkeit von 6,9 Zentimetern pro Sekunde entspricht. Die Probe wurde 30 Sekunden lang dem Aerosol ausgesetzt. Die Durchdringung wird mit einer optischen Streukammer, einem Percent Penetration Meter Model TPA-8F gemessen, das bei Air Techniques Inc. erhältlich ist. Die DOP-Durchdringung des geladenen Filtermaterials der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise geringer als etwa 80%, bevorzugt geringer als etwa 70%. Der Druckabfall wird bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 42,5 L/min und einer Oberflächengeschwindigkeit von 6,9 cm/sec unter Verwendung eines elektronischen Manometers gemessen. Der Druckabfall wird als ΔP in mm Wassersäule gemessen.
Die Durchdringung und der Druckabfall werden verwendet, um aus dem natürlichen Logarithmus (ln) der DOP-Durchdringung einen Qualitätsfaktor"QF-Wert" mit der folgenden Formel zu errechnen: Durchdringung Druckabfall
Ein größerer QF-Anfangswert zeigt eine bessere Anfangs-Filterleistung an. Verringerte QF-Werte korrelieren effektiv mit verringerter Filterleistung. Im allgemeinen ist ein QF-Wert von mindestens etwa 0,25 vorzuziehen, bevorzugt wird ein Wert von mindestens etwa 0,5, und insbesondere wird ein Wert von mindestens etwa 1 bevorzugt.

Belastungstest mit NaCl

Es wurden an einem TSI Model 8110 Automated Filter Tester, der von TSI, Inc. angeboten wird, Belastungstests gemäß dem in dem Testerhandbuch, Teil Nr. PN1980053, Seite 47 dargelegten Verfahren durchgeführt. Die Proben erhielten während der Funktion des Partikel-Ionisators eine 200 mg-Natriumchlorid-Anforderung bei 85 L/min. Die Testproben hatten einen frei zugänglichen Bereich von 100,3 cm mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 14,1 cm/sec.

Sprüh-Belastungstest

Belastungstests werden gemäß dem OSHA Standard 32 CFR Part 11.162-5 durchgeführt. Eine 56,7 cm-Probe wird bei einer Belastung von 16 L/min getestet. Der Druckabfall entlang den Bahnenmaterialien wurde in mm Wassersäule bei einer Strömungsgeschwindigkeit durch die Probe von 42,5 L/min gemessen. Die prozentuale Durchdringung wurde aus den Gewichtsdifferenzen der getesteten Medien vor und nach dem Test und der Gewichtszunahme eines Partikelfilters hohen Durchströmungswirkungsgrads ermittelt. Die Druckabfall-Steigerung ist vorzugsweise geringer als etwa 10 mm Wassersäule, und die prozentuale Aufnahme ist größer als 90 Prozent.

Bahnenmaterialdicke

Die mittlere Bahnenmaterialdicke wurde unter Verwendung von etwa 0,1 g/cm² auf der Maßlehre gemessen. Die Bahnenmaterialdicken sind Durchschnittswerte von mindestens dreißig einzelnen Messungen.

Beispiele 1-4 und Vergleichsbeisdiel Cl

Es wurde ein Polypropylen-(ESCORENE 3505G, bei Exxon Corp. erhältlich) Mikrofaser-Bahnenmaterial, wie von Van A. Wente in "Superfine Thermoplastic Fibers", Industrial Engineering Chemistry, Band 48, Seiten 1342-1346 beschrieben, erzeugt. Das Bahnenmaterial wurde von einem Doppeltrommel-Kollektor erfaßt, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Jede Trommel hatte einen Durchmesser von 0,46 m und war aus mit TEFLON beschichtetem, perforiertem Metall gefertigt. Die Lücke zwischen den Kollektortrommeln war 1,27 cm. Die Kollektorlücke war 0,74 m von der Düsenkanalspitze entfernt angeordnet. Die Trommeln waren so angeordnet, daß die Fasern auf jede Trommeloberfläche gleichermaßen etwa 5 cm oberhalb und unterhalb der Mittellinie auf trafen. Die in Berührung kommenden Teile der Kollektortrommeloberflächen bewegen sich von dem Extrusions-Düsenkanal weg und ziehen das aufgefangene Bahnenmaterial durch die Lücke zwischen den Rollen. Die Rollen rotierten mit der in Tabelle 1 gezeigten Oberflächengeschwindigkeit bzw. dem Geschwindigkeitsverhältnis der oberen Trommel zu der unteren Trommel. Die Bahnenmaterialien wurden zur Vereinfachung der Handhabung auf Spinnvlies-Polypropylengewebe (13,5 g/m², bei Fiberweb North America, Inc. erhältlich) aufgefangen. Der wirksame Faser-Durchmesser war in jedem Bahnenmaterial zwischen etwa 10 bis 12 µm. Jedes Bahnenmaterial hatte ein Basisgewicht von etwa 50 g/m². Die durchschnittliche Bahnenmaterialdicke wurde unter 0,1 g/cm² Druck und einem Druckabfall (ΔP) bei 5,2 cm/sec Oberflächengeschwindigkeit ermittelt und ist in Tabelle 1 gezeigt.
Für jede Gewebeprobe wurden auch Welligkeitswerte ermittelt. Es wurde die Gewebedicke an den Erhebungen, Th, und Vertiefungen, Tl, gemessen und die Welligkeitsverhältnisse anhand der Formel Th - Tl/(Th + Tl)/2 errechnet. Die Frequenz der Welligkeitserhebungen pro cm wurde ebenfalls gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. In dem Vergleichsbeispiel C1 gab es keine periodische Welligkeit. Tabelle 2
Die Bahnenmaterialien wurden auf Sprühbelastung getestet. Der Anfangs-Druckabfall, der End-Druckabfall und der Prozentsatz sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
Wie aus den Daten in der Tabelle 3 ersichtlich ist, hatten die Proben der Beispiele 1A, 2A, 3A und 4A, die eine wellenförmige Oberfläche haben, während des Belastungstests eine verringerte Druckabfall-Steigerung gegenüber der für den flachen Aufbau von Beispiel C1A beobachteten Steigerung.
Die Proben der Bahnenmaterialien wurden einer Koronaentladung unterzogen, indem das Bahnenmaterial in Kontakt mit einer Aluminium-Grundplatte unter einer positiven Gleichspannungs- Koronaentladung zweimal bei einer Geschwindigkeit von 1,2 m/min entlanggeführt wurde, wobei der Strom der Korona-Stromquelle auf etwa 0,01 mA/cm gehalten wurde und die Korona-Stromquelle etwa 4 cm von der Grundplatte entfernt war. Die DOP-Durchdringung und der Druckabfall wurden gemessen und der Qualitätsfaktor errechnet. Die Durchdringung und die Qualitätsfaktoren sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
Wie aus den Daten in Tabelle 4 ersichtlich ist, funktionierte jedes der Bahnenmaterialien hinsichtlich der Filtrierung des Dioctyl-Phthalats zufriedenstellend.
Proben von mit Koronaentladung behandelten Bahnenmaterialien wurden einem Aufprall von Wasserstrahlen ausgesetzt, die von einem Hydroentangler (Verfilzer durch Wasser) (Laboratory Model, Serien-Nr. 101, bei Honeycomb Systems, Corp. erhältlich) erzeugt wurden, welcher eine Sprühstreifenbreite von 0,6 m mit 40 Sprühöffnungen hatte, jede mit einem Durchmesser von 0,13 mm, pro 2,5 cm Breite bei 690 kPa Die Proben wurden unter der wellenförmigen Streifenseite einmal mit einer Geschwindigkeit von 3,5 m/min abwärts und dann mit der gleichen Geschwindigkeit die wellenförmige Seite wieder aufwärts entlang geführt, unter Vakuum extrahiert und bei 70ºC eine Stunde lang getrocknet. Die DOP-Durchdringung und der Druckabfall wurden gemessen und der Qualitätsfaktor errechnet. Die Durchdringung und die Qualitätsfaktoren sind in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5
Wie aus den Daten in der Tabelle 5 ersichtlich ist, zeigte jedes der Elektret-Bahnenmaterialien gute DOP-Filtrationseigenschaften. Die Elektret-Bahnenmaterialien der Beispiele 2C, 3C und 4C, die bei hohen Trommeloberflächen-Geschwindigkeitsverhältnissen hergestellt wurden, hatten sehr gute Leistungsfähigkeit.
Die durch Koronaentladung geladenen/einer Hydroladung unterzogenen Bahnenmaterialien wurden mit einer Natriumchloridladung getestet. Der Anfangs-Druckabfall (Anfangs-AP), der End- Druckabfall (End-ΔP), die prozentuale Anfangs-Durchdringung (Anfangs-Durchdr.), die prozentuale End-Durchdringung (End- Durchdr.) und der eingefangene Prozentsatz (%-Satz) sind in Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6
Wie aus den Daten in der Tabelle 6 ersichtlich ist, hatte das Bahnenmaterial des Vergleichsbeispiels C1D wegen der Krustenbildung auf der Oberfläche einen hohen End-Druckabfall von 77,3 mm Wassersäule, während die Beispiele 1D bis 4D End- Druckabfälle von weniger als der Hälfte des Vergleichsbeispiels hatten. Die Beispiele 2D und 3D zeigen ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen einer verringerten Zunahme von Druckabfall und Durchdringung von Aerosol.

Beispiele 5-7

Die Beispiele 5-7 wurden, wie in den Beispielen 1-4, unter Verwendung einer Oberflächengeschwindigkeit der unteren Trommel von 5,5 m/min und einer Oberflächengeschwindigkeit der oberen Trommel von 16,8 m/min durchgeführt, was ein Geschwindigkeitsverhältnis von 3,1 ergibt. Der Spalt zwischen den Kollektortrommeln war wie in Tabelle 7 gezeigt. Jedes Bahnenmaterial hatte ein Basisgewicht von etwa 50 g/m². Die durchschnittliche Dicke wurde gemessen und ist in Tabelle 7 gezeigt. Wie in den Beispielen 1C-4C wurden Proben von jedem Bahnenmaterial einer Koronaentladungs-Behandlung unterzogen. Die DOP-Durchdringung und der Druckabfall dieser Korona-geladenen Bahnenmaterialien wurden gemessen und der Qualitätsfaktor errechnet. Die Durchdringung und der Qualitätsfaktor sind in Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7
Wie aus den Daten in der Tabelle 7 ersichtlich ist, bewirkten die geringeren Spaltbreiten, die verwendet wurden, um die Bahnenmaterialien der Beispiele 5A und 6A herzustellen, bei 50 g/m² Basisgewicht und Trommeloberflächen-Geschwindigkeitsverhältnissen von etwa 3 bessere Elektret-Filtrationseigenschaften.
Proben von jedem der mit einer Koronaentladung behandelten Bahnenmaterialien wurden, wie in den Beispielen 1C-4C, einem Aufprall von Wasserstrahlen unterzogen. Es wurden der Druckabfall und die DOP-Durchdringung gemessen und der Qualitätsfaktor errechnet. Die Durchdringung und der Qualitätsfaktor sowie der Spalt-Druckabfall und die Dicke sind in Tabelle 8 gezeigt. Tabelle 8
Für die Bahnenmaterialproben der Beispiele 6, 7 und 8 wurden auch Welligkeitsmaße ermittelt. Die Bahnenmaterialdicke an den Erhebungen, Tb, und an den Vertiefungen, Tl, wurden gemessen und Welligkeitsverhältnisse errechnet, indem die Formel Th-Tl/(Th + Tl)/2 verwendet wurde. Die Frequenz der Welligkeit pro cm wurde ebenfalls gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 gezeigt. Tabelle 9

Beispiele 9-12 und Vergleichsbeisdiele C2-C5

In den Beispielen 9-12 wurden, wie in den Beispielen 1-4, Bahnenmaterialien unter Verwendung eines Spalts von 1,27 cm hergestellt. Die Kollektortrommel-Oberflächengeschwindigkeiten, das Geschwindigkeitsverhältnis, der Druckabfall (ΔP) bei 5,2 cm/sec Oberflächengeschwindigkeit, die durchschnittliche Dicke und das Basisgewicht sind in Tabelle 10 gezeigt. Tabelle 10
Es wurden auch Welligkeitsmaße für jede Bahnenmaterialprobe ermittelt. Die Bahnenmaterialdicke wurde an den Erhebungen, Th, und Vertiefungen, Tl, gemessen und die Welligkeitsverhältnisse anhand der Formel Th - Tl/(Th + Tl)/2 errechnet. Die Frequenz der Welligkeit pro cm wurde ebenfalls gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 11 gezeigt. Tabelle 11
Für die Vergleichsbeispiele C2-C5 wurden, wie in den Beispielen 1-4, Bahnenmaterialien extrudiert, mit der Ausnahme, daß die Bahnenmaterialien auf einem einzigen Trommel-Kollektor aufgefangen wurden, der 0,58 m von der Düsenkanalspitze entfernt angeordnet war. Der wirksame Faser-Durchmesser war 10,6 bis 12 µm. Das Basisgewicht wurde gemessen und ist in Tabelle 12 gezeigt.
Proben von Bahnenmaterial der Beispiele 9-12 und der Vergleichsbeispiele C2-C5 wurden, wie in den Beispielen 1-4, einer Koronaentladung unterzogen. Es wurden der DOP-Druckabfall und die Durchdringung gemessen und der Qualitätsfaktor errechnet. Die Durchdringung und der Qualitätsfaktor sind in Tabelle 12 gezeigt. Tabelle 12
Wie aus den Daten in Tabelle 12 ersichtlich ist, hatten die erfindungsgemäßen wellenförmigen Bahnenmaterialien ähnliche DOP-Durchdringung und ähnlichen Qualitätsfaktor wie die Bahnenmaterialien, die auf einer einzigen Trommel aufgefangen wurden, ausgenommen bei dem Bahnenmaterial mit 200 g/m² Basisgewicht. Proben des mit einer Koronaentladung behandelten Bahnenmaterials wurden, wie in den Beispielen 1C-4C, einer Hydroladung mit Wasserstrahlen unterzogen. Es wurden der DOP-Druckabfall und die Durchdringung gemessen und der Qualitätsfaktor errechnet. Das Basisgewicht, die Durchdringung und der Qualitätsfaktor sind in Tabelle 13 gezeigt. Tabelle 13
Wie aus den Daten in Tabelle 13 ersichtlich ist, hatten alle Proben gute prozentuale Durchdringungs- und Qualitätsfaktorwerte. Die Qualitätsfaktorwerte der Beispiele 9B, 10B und 11B mit der wellenförmigen Oberfläche waren höher als die der Vergleichsbeispiele 2B, 3B und 4B.

Beispiele 13-15

Bei den Beispielen 13-15 waren, wie in den Beispielen 1-4, die Bahnenmaterialien unter Verwendung eines Spalts von 1,27 cm hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Bahnenmaterialien 50 Gewichts-% Stapelfaser enthielten. Beim Beispiel 13 war die Stapelfaser 17 Denier, 5,1 cm langes "natürliches" Polypropylen, bei Synthetic Industries erhältlich; beim Beispiel 14 war die Stapelfaser 15 Denier, 3,1 cm Polyester, KODEL K-431, bei Eastman Chemical Co. erhältlich; und beim Beispiel 15 war die Stapelfaser 6 Denier, 5,1 cm Polyester, KODEL K-211, bei Eastman Chemical Co. erhältlich. Vor der Benutzung wurden die Polyester-Stapelfasern unter Verwendung von etwa 2 Gewichts-% LIQUINOX (bei Alconox, Inc. erhältlich) in heißem Wasser (etwa 140ºF, 60ºC) unter Schütteln für etwa 5 Minuten gewaschen, gespült und getrocknet, um eine Oberflächenappretur zu entfernen. Die Kollektortrommel-Oberflächengeschwindigkeiten und das Geschwindigkeitsverhältnis sind in Tabelle 14 gezeigt. Jedes Bahnenmaterial wog 50 g/m². Der Druckabfall jedes Bahnenmaterials und die durchschnittliche Dicke der Beispiele 13 und 14 wurden gemessen und sind in Tabelle 14 gezeigt. Tabelle 14
Proben von Bahnenmaterial der Beispiele 13-15 wurden, wie in den Beispielen 1C-4C, einer Koronaentladung unterzogen. Es wurden der Druckabfall und die DOP-Durchdringung gemessen und der Qualitätsfaktor errechnet. Die Durchdringung und der Qualitätsfaktor sind in Tabelle 15 gezeigt. Tabelle 15
Proben der mit einer Koronaentladung behandelten Bahnenmaterialien wurden, wie in den Beispielen 1C-4C, einer Hydroladung unterzogen. Es wurden der Druckabfall und die Durchdringung gemessen und der Qualitätsfaktor errechnet. Das Basisgewicht, die DOP-Durchdringung und der Qualitätsfaktor sind in Tabelle 16 gezeigt. Tabelle 16
Wie aus den Daten der Tabellen 15 und 16 ersichtlich ist, zeigen die Bahnenmaterialien, die durch Koronaentladung geladen und dann einer Hydroladung unterzogen wurden, geringen Druckabfall und ausgezeichnete Reduzierung bei der Durchdringung, wie durch die hohen Qualitätsfaktorwerte gezeigt ist, während die Bahnenmaterialien, die durch Koronaentladung geladen wurden, brauchbare Qualitätsfaktoren zeigen.

Claims

1. Filtermaterial mit einem Bahnenmaterial aus schmelzgeblasenen Mikrofasern mit einer im wesentlichen flachen Oberfläche mit nicht größerer Schwankung der Oberflächenstärke als etwa 2 mm, wobei die andere Oberfläche eine periodische faltenähnliche Welligkeit aufweist, wobei die Wellen quer zu der Gewebebildungsrichtung verlaufen, die Welligkeit 30 bis 70 Prozent der Dicke des Bahnenmaterials ausmacht und eine Frequenz von mindestens etwa 0,33/cm besitzt.

2. Filtermaterial nach Anspruch 1, wobei das Bahnenmaterial über seinen gesamten Querschnitt eine im wesentlichen gleichförmige Dichte aufweist.

3. Filtermaterial nach Anspruch 1, wobei das Bahnenmaterial eine durchschnittliche Dicke von etwa 1 bis 30 mm besitzt.

4. Filtermaterial nach Anspruch 1, wobei das Bahnenmaterial etwa 10 bis 400 g/m² wiegt.

5. Filtermaterial nach Anspruch 1, wobei die Mikrofasern aus Polypropylen, Poly(4-Methyl-1-Penten) oder aus Mischungen davon bestehen.

6. Filtermaterial nach Anspruch 1, wobei die Mikrofasern einen wirksamen Durchmesser von etwa 3 bis 30 Mikrometer besitzen.

7. Filtermaterial nach Anspruch 1, wobei das Bahnenmaterial außerdem Stapelfasern enthält.

8. Filtermaterial nach Anspruch 7, wobei die Stapelfasern höchstens etwa 90 Gewichts-% des Bahnenmaterials ausmachen.

9. Filtermaterial nach Anspruch 1, wobei das Bahnenmaterial außerdem ein partikelartiges Sorptionsmittel enthält.

10. Verfahren zum Herstellen eines Bahnenmaterials aus schmelzgeblasenen Mikrofasern mit einer im wesentlichen flachen Oberfläche, wobei die andere Oberfläche eine periodische faltenähnliche Welligkeit aufweist, wobei das Verfahren umfaßt: Extrudieren von schmelzgeblasenen Mikrofasern aus einer Extrusionsform, Auffangen der Fasern auf Auffangflächen mit dazwischen liegendem Spalt, wobei der Kontaktteil der Auffangfläche zu der Extrusionsform parallel ist und sich von dieser weg bewegt, und Ziehen der aufgefangenen Bahnenmaterialien durch den Spalt, wobei die Oberflächengeschwindigkeit einer Auffangfläche mindestens dem Zweifachen der Geschwindigkeit der anderen Auffangfläche entspricht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Spalt zwischen den Auffangflächen etwa 0,5 bis 5 cm beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Auffangflächen etwa 0,2 bis 2 m von der Extrusionsform entfernt sind.

13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Bereich der Auffangflächen-Geschwindigkeit im Verhältnis zur Faserextrusionsgeschwindigkeit für die schnellere Auffangfläche 0,006 bis 0,6 m/min pro g/m/min und für die langsamere Auffangfläche 0,003 bis 0,08 m/min pro g/m/min ist.

14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei jede Auffangfläche von einer rotierenden Trommel gebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Trommeln einen Durchmesser von etwa 0,2 bis 1 m haben.

16. Verfahren nach Anspruch 10, das außerdem ein Aufladen des Bahnenmaterials umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Aufladen durch eine Koronaentladung erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bahnenmaterial einer Hydroladung unterzogen wird.

19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei nach der Aufladung durch eine Koronaentladung ein Einwirken durch Wasserstrahlen oder Wassertröpfchenströme auf das Bahnenmaterial folgt.

20. Verfahren nach Anspruch 10, das außerdem ein Auffangen des Bahnenmaterials auf einem Scrim umfaßt, um ein Laminat zu erzeugen.

21. Elektret-Filtermaterial, das das Filtermaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, wobei das Filtermaterial zusätzlich geladen ist.

22. Elastische, schalenförmige Gesichts-Filtermaske, die zum Bedecken von Mund und Nase des Trägers der Maske geeignet ist und das Filtermaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.

23. Gesichtsmaske nach Anspruch 22, wobei das Bahnenmaterial aufgeladen ist, um die Filtration verbessernde Elektreteigenschaften zu bewirken.